搬運(yùn)機(jī)器人——畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、摘 要在當(dāng)今大規(guī)模制造業(yè)中，企業(yè)為提高生產(chǎn)效率，保障產(chǎn)品質(zhì)量，工業(yè)機(jī)器人作為自動(dòng)化生產(chǎn)線上的重要成員，逐漸被企業(yè)所認(rèn)同并采用。工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)水平和應(yīng)用程度在一定程度上反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化的水平。目前，工業(yè)機(jī)器人主要承擔(dān)著焊接、噴涂、搬運(yùn)以及堆垛等重復(fù)性并且勞動(dòng)強(qiáng)度極大的工作。本課題主要對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械部分展開討論，對(duì)原有的機(jī)械結(jié)構(gòu)提出了新的改進(jìn)方法，并把現(xiàn)在的新技術(shù)應(yīng)用到本課題中，從而使得搬運(yùn)機(jī)器人更加適用于現(xiàn)在的工業(yè)工作環(huán)境。通過(guò)詳細(xì)了解搬運(yùn)機(jī)器人在工業(yè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了具體的搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求，并根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人各部分的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)行了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)以及包括：機(jī)器人的手部、腕部、

2、臂部、腰部在內(nèi)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)源來(lái)自液壓系統(tǒng)，執(zhí)行元件包括：柱塞式液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、伸縮式液壓缸等。通過(guò)液壓缸的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)。關(guān)鍵詞：搬運(yùn)機(jī)器人；液壓系統(tǒng)；機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；操作AbstractIn the modern large-scale manufacturing industry, enterprises to improve productivity, and, guarantee product quality, as an important part of the automation production l

3、ine, industrial robots are gradually approved and adopted by enterprises. Industrial robot technology standards and application level, to a certain extent, reflect a level of national industrial automation. Currently, Industrial robot mainly tasked with welding, spraying, handling and stacking, repe

4、titive and intensity of significant work.The subject of the main part of the handling of their machinery discussions, and on the original mechanical structure proposed for the new improved method, which makes the handling robot is more applicable to the present industrial working environment. Throug

5、h a detailed understanding of the robot in the industrial application, to propose specific handling robot design requirements, and according to the robot design principles of various parts, for the system as well as including: the robots hand, wrist, arm, waist, the design of mechanical structures.

6、The transfer robot driven by the source from the hydraulic system, and the implementation of components including: plunger hydraulic cylinders, hydraulic cylinders, swing, telescopic hydraulic cylinders, etc. Through the hydraulic cylinder movements to implement the joint transport robot motion, And

7、 realize the operational handling robot.Keywords：Transfer robot；Hydraulic System；Mechanical Design；Operating第一章 緒 論1. 1概論在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著工業(yè)機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人一般指在工廠車間環(huán)境中，配合自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，代替人來(lái)完成材料或零件的搬運(yùn)、加工、裝配等操作的一種機(jī)器人。工業(yè)機(jī)器人的定義為：“一種自動(dòng)定位控制、可重復(fù)編程的、多功能的、多自由度的操作機(jī)。能搬運(yùn)材料、零件或操持工具，用以完成各種作業(yè)?！辈僮鳈C(jī)定義為：“具有和人的手臂相似的動(dòng)作功能，可在空間抓放物體或進(jìn)行其它操作的機(jī)

8、械裝置?！币粋€(gè)典型的機(jī)器人系統(tǒng)由本體、關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通訊接口等幾部分組成。一般多自由度串聯(lián)機(jī)器人具有46 個(gè)自由度，其中23 個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，其余23 個(gè)自由度決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。搬運(yùn)機(jī)器人在實(shí)際的工作中就是一個(gè)機(jī)械手，機(jī)械手的發(fā)展是由于它的積極作用正日益為人們所認(rèn)識(shí)：其一、它能部分的代替人工操作；其二、它能按照生產(chǎn)工藝的要求，遵循一定的程序、時(shí)間和位置來(lái)完成工件的傳送和裝卸；其三、它能操作必要的機(jī)具進(jìn)行焊接和裝配，從而大大的改善了工人的勞動(dòng)條件，顯著的提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，加快實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的步伐。因而，受到很多國(guó)家的重視

9、，投入大量的人力物力來(lái)研究和應(yīng)用。尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場(chǎng)合，應(yīng)用的更為廣泛。在我國(guó)近幾年也有較快的發(fā)展，并且取得一定的效果，受到機(jī)械工業(yè)的重視。機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式開始比較簡(jiǎn)單，專用性較強(qiáng)。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，制成了能夠獨(dú)立的按程序控制實(shí)現(xiàn)重復(fù)操作，適用范圍比較廣的“程序控制通用機(jī)械手”，簡(jiǎn)稱通用機(jī)械手Error! Reference source not found.。由于通用機(jī)械手能很快的改變工作程序，適應(yīng)性較強(qiáng)，所以它在不斷變換生產(chǎn)品種的中小批量生產(chǎn)中獲得廣泛的引用。機(jī)器人就是用機(jī)器代替人手，把工件由某個(gè)地方移向指定的工作位置，或按照工作要求以操縱工件進(jìn)行加工

10、。機(jī)器人一般分為三類。第一類是不需要人工操作的通用機(jī)器人，也即本文所研究的對(duì)象。它是一種獨(dú)立的、不附屬于某一主機(jī)的裝置，可以根據(jù)任務(wù)的需要編制程序，以完成各項(xiàng)規(guī)定操作。它是除具備普通機(jī)械的物理性能之外，還具備通用機(jī)械、記憶智能的三元機(jī)械。第二類是需要人工操作的，稱為操作機(jī)（Manipulator）。它起源于原子、軍事工業(yè)，先是通過(guò)操作機(jī)來(lái)完成特定的作業(yè)，后來(lái)發(fā)展到用無(wú)線電訊號(hào)操作機(jī)器人來(lái)進(jìn)行探測(cè)月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機(jī)也屬于這一范疇。第三類是專業(yè)機(jī)器人，主要附屬于自動(dòng)機(jī)床或自動(dòng)生產(chǎn)線上，用以解決機(jī)床上下料和工件傳送。這種機(jī)器人在國(guó)外通常被稱之為“Mechanical Hand”，它是為主

11、機(jī)服務(wù)的，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)。除少數(shù)外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)形式的不同又可分為多種類型，其中關(guān)節(jié)型機(jī)器人以其結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間體積小，相對(duì)工作空間最大，甚至能繞過(guò)基座周圍的一些障礙物等這樣一些特點(diǎn)，成為機(jī)器人中使用最多的一種結(jié)構(gòu)形式，世界一些著名機(jī)器人的本體部分都采用這種機(jī)構(gòu)形式的機(jī)器人。要機(jī)器人像人一樣拿取東西，最簡(jiǎn)單的基本條件是要有一套類似于指、腕、臂、關(guān)節(jié)等部分組成的抓取和移動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)；像肌肉那樣使手臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)；像大腦那樣指揮手動(dòng)作的控制系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的性能就決定了機(jī)器人的性能。對(duì)于現(xiàn)代智能機(jī)器人而言，還具有智能系統(tǒng)，主要是感覺(jué)裝置、視覺(jué)裝置和語(yǔ)言識(shí)別

12、裝置等。目前研究主要集中在賦予機(jī)器人“眼睛”，使它能識(shí)別物體和躲避障礙物，以及機(jī)器人的觸覺(jué)裝置。機(jī)器人的這些組成部分并不是各自獨(dú)立的，或者說(shuō)并不是簡(jiǎn)單的疊加在一起，從而構(gòu)成一個(gè)機(jī)器人的。要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人所期望實(shí)現(xiàn)的功能，機(jī)器人的各部分之間必然還存在著相互關(guān)聯(lián)、相互影響和相互制約。機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)組成。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體，通常由連桿和關(guān)節(jié)組成，由驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)提供動(dòng)力，按控制系統(tǒng)的要求完成工作任務(wù)。1.2 工業(yè)機(jī)器人的歷史、現(xiàn)狀及應(yīng)用機(jī)器人首先是從美國(guó)開始研制的，1958年美國(guó)聯(lián)合控制公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是機(jī)體上安裝一回轉(zhuǎn)長(zhǎng)臂，端部裝有電

13、磁鐵的工件抓放機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)是示教型的。日本是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國(guó)家。自1969年從美國(guó)引進(jìn)兩種典型機(jī)器人后，大力從事機(jī)器人的研究。目前工業(yè)機(jī)器人大部分還屬于第一代，主要依靠人工進(jìn)行控制；控制方式則為開環(huán)式，沒(méi)有識(shí)別能力；改進(jìn)的方向主要是降低成本和提高精度。第二代機(jī)器人正在加緊研制，它設(shè)有微型電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，具有視覺(jué)、觸覺(jué)能力，甚至聽(tīng)、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺(jué)到的信息進(jìn)行反饋，使機(jī)器人具有感覺(jué)機(jī)能。第三代機(jī)器人則能獨(dú)立地完成工作過(guò)程中的任務(wù),它與電子計(jì)算機(jī)和電視設(shè)備保持聯(lián)系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統(tǒng)FMS(Flexible Manufacturing System

14、)和柔性制造單元FMC(Flexible Manufacturing Cell)中的重要一環(huán)。隨著現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，針對(duì)于上述各個(gè)領(lǐng)域的機(jī)器人系統(tǒng)的應(yīng)用和研究對(duì)系統(tǒng)本身也提出越來(lái)越多的要求。制造業(yè)要求機(jī)器人系統(tǒng)具有更大的柔性和更強(qiáng)大的編程環(huán)境，適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和多品種、小批量的生產(chǎn)過(guò)程。計(jì)算機(jī)集成制造（CIM）要求機(jī)器人系統(tǒng)能和車間中的其它自動(dòng)化設(shè)備集成在一起。研究人員為了提高機(jī)器人系統(tǒng)的性能和智能水平，要求機(jī)器人系統(tǒng)具有開放結(jié)構(gòu)和集成各種外部傳感器的能力。美國(guó)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，大致經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：（1）1963-1967年為試驗(yàn)定型階段。1963-1966年，萬(wàn)

15、能自動(dòng)化公司制造的工業(yè)機(jī)器人供用戶做工藝試驗(yàn)。1967年，該公司生產(chǎn)的工業(yè)機(jī)器人定型為1900型；（2）1968-1970年為實(shí)際應(yīng)用階段。這一時(shí)期，工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)進(jìn)入應(yīng)用階段，例如，美國(guó)通用汽車公司1968年訂購(gòu)了68臺(tái)工業(yè)機(jī)器人；1969年該公司又自行研制出SAM新工業(yè)機(jī)器人，并用21組成電焊小汽車車身的焊接自動(dòng)線；又如，美國(guó)克萊斯勒汽車公司32條沖壓自動(dòng)線上的448臺(tái)沖床都用工業(yè)機(jī)器人傳遞工件；（3）1970年至今一直處于推廣應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展階段。1970-1972年，工業(yè)機(jī)器人處于技術(shù)發(fā)展階段。1970年4月美國(guó)在伊利斯工學(xué)院研究所召開了第一屆全國(guó)工業(yè)機(jī)器人會(huì)議。據(jù)當(dāng)時(shí)統(tǒng)計(jì)，美國(guó)大約2

16、00臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，工作時(shí)間共達(dá)60萬(wàn)小時(shí)以上，與此同時(shí)，出現(xiàn)了所謂了高級(jí)機(jī)器人，例如：森德斯蘭德公司（Sundstrand）發(fā)明了用小型計(jì)算機(jī)控制50臺(tái)機(jī)器人的系統(tǒng)。又如，萬(wàn)能自動(dòng)公司制成了由25臺(tái)機(jī)器人組成的汽車車輪生產(chǎn)自動(dòng)線。麻省理工學(xué)院研制了具有“手眼”系統(tǒng)的高識(shí)別能力微型機(jī)器人Error! Reference source not found.。1.21 我國(guó)機(jī)器人研究現(xiàn)狀機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某種操作或移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。機(jī)器人技術(shù)綜合了機(jī)械工程、電子工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制及人工智能等多種科學(xué)的最新研究成果，是機(jī)電一體化技術(shù)的典型代表，是當(dāng)代科技發(fā)展最活

17、躍的領(lǐng)域。機(jī)器人的研究、制造和應(yīng)用正受到越來(lái)越多的國(guó)家的重視。近十幾年來(lái)，機(jī)器人技術(shù)發(fā)展非常迅速，各種用途的機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域廣泛獲得應(yīng)用。我國(guó)是從 20 世紀(jì)80 年代開始涉足機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國(guó)開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計(jì)劃。1987 年，我國(guó)的“863”計(jì)劃將機(jī)器人方面的研究列入其中。目前，我國(guó)從事機(jī)器人的應(yīng)用開發(fā)的主要是高校和有關(guān)科研院所。最初我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)方面的主要目的是跟蹤國(guó)際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后，我國(guó)在機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用方面取得了很大成就。主要研究成果有：哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的兩足步行機(jī)器人，北京自動(dòng)化研究所1993 年研制的噴涂機(jī)器人，1995 年完成的高壓

18、水切割機(jī)器人，國(guó)家開放實(shí)驗(yàn)和研究單位沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的有纜深潛300m 機(jī)器人，無(wú)纜深潛機(jī)器人，遙控移動(dòng)作業(yè)機(jī)器人，2000 年國(guó)防科技大學(xué)研制的兩足類人機(jī)器人，北京航空航天大學(xué)研制的三指靈巧手，華理工大學(xué)研制的點(diǎn)焊、弧焊機(jī)器人，以及各種機(jī)器人裝配系統(tǒng)等。我國(guó)目前擁有機(jī)器人 4000 臺(tái)左右，主要在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)應(yīng)用，而全世界應(yīng)用機(jī)器人數(shù)量為83 萬(wàn)臺(tái)，其中主要集中在美國(guó)、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家。在機(jī)器人研究方面，我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定差距。1.3 機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)隨著現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的提高，機(jī)器人設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力進(jìn)一步得到加強(qiáng)，尤其當(dāng)機(jī)器人的生產(chǎn)與柔性化制造系統(tǒng)和柔性制造單元相結(jié)合，從而改變目前機(jī)械制

19、造的人工操作狀態(tài)，提高了生產(chǎn)效率。就目前來(lái)看，總的來(lái)說(shuō)現(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人有以下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：a)提高運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)精度，減少重量和占用空間，加速機(jī)器人功能部件的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，將機(jī)器人的各個(gè)機(jī)械模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊組成結(jié)構(gòu)不同的機(jī)器人；b)開發(fā)各種新型結(jié)構(gòu)用于不同類型的場(chǎng)合，如開發(fā)微動(dòng)機(jī)構(gòu)用以保證精度；開發(fā)多關(guān)節(jié)多自由度的手臂和手指；開發(fā)各類行走機(jī)器人，以適應(yīng)不同的場(chǎng)合；c)研制各類傳感器及檢測(cè)元器件，如，觸覺(jué)、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、味覺(jué)、和測(cè)距傳感器等，用傳感器獲得工作對(duì)象周圍的外界環(huán)境信息、位置信息、狀態(tài)信息以完成模式識(shí)別、狀態(tài)檢測(cè)。并采用專家系統(tǒng)進(jìn)行問(wèn)題求解、動(dòng)作規(guī)劃，同時(shí)，越來(lái)越多的系統(tǒng)采用微機(jī)

20、進(jìn)行控制。1.4 研究課題的提出本研究課題是根據(jù)省教育廳物流機(jī)器人操作研究與開發(fā)課題的需要而提出的。工業(yè)機(jī)器人在FMS 中的一種典型應(yīng)用如圖1-1 所示。圖 1-1 工業(yè)機(jī)器人的一種典型應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人固定在機(jī)床或加工中心旁邊，由它們完成對(duì)加工工件的上、下料和裝夾作業(yè)，通過(guò)輸送線運(yùn)送工件，實(shí)現(xiàn)物流的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)所要加工的產(chǎn)品放生變化、工件工藝流程改變時(shí)，就要調(diào)整柔性制造系統(tǒng)的布局?，F(xiàn)在設(shè)想，將工業(yè)機(jī)器人固定在自動(dòng)引導(dǎo)車（AGV）上，改變自動(dòng)引導(dǎo)車的軌跡，就可以適應(yīng)工件和工件工藝流程的變化，大大提高加工系統(tǒng)的柔性。設(shè)想的機(jī)器人工作方式如圖 1-2 所示圖 1-2 可移動(dòng)式機(jī)器人的應(yīng)用此外，對(duì)于這類小型

21、的機(jī)器人，在原理不變的情況下，改變其結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)人機(jī)功能，將它固定在小型的移動(dòng)裝置或直接與移動(dòng)裝置結(jié)合成一體，就可以應(yīng)用到日常生活中，如生活中物體的搬運(yùn)、人員的看護(hù)等。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)這樣一種可移動(dòng)式、多自由度的小型機(jī)器人是有實(shí)際意義的。1.5 本文主要研究?jī)?nèi)容本文研究了國(guó)內(nèi)外機(jī)械手發(fā)展的現(xiàn)狀，通過(guò)學(xué)習(xí)機(jī)械手的工作原理，熟悉了搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，確定了搬運(yùn)機(jī)械手的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)搬運(yùn)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的力學(xué)模型分析，完成了機(jī)械手機(jī)械方面的設(shè)計(jì)（包括傳動(dòng)部分、執(zhí)行部分、驅(qū)動(dòng)部分）和簡(jiǎn)單的三維實(shí)體造型工作。1.6 本章小結(jié)本章主要內(nèi)容是搬運(yùn)機(jī)器人的現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢(shì)等方面，并通

22、過(guò)對(duì)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中使用搬運(yùn)機(jī)器人的主要工作種類的列舉，提出了未來(lái)搬運(yùn)機(jī)器人的幾種先進(jìn)的發(fā)展模式和本文的主要研究?jī)?nèi)容。第2章 機(jī)器人方案的創(chuàng)成和機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)2.1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的特點(diǎn)串聯(lián)機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì)相比，有很多不同之處。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來(lái)的開式運(yùn)動(dòng)鏈。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜，兩相鄰桿件坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、末端執(zhí)行器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端執(zhí)行器的受力和各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩（或力）之間的關(guān)系等，都不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，需要建立一套針對(duì)空間開鏈機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)方法。末端

23、執(zhí)行器的位置、速度、加速度和各個(gè)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩之間的關(guān)系是動(dòng)力學(xué)分析的主要內(nèi)容，在手臂開鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其它關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨手臂位姿變化而變化，在高速情況下，還存在哥氏力和離心力的影響。因此，機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的、非線性、強(qiáng)耦合、位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，因此，即使通過(guò)一定的簡(jiǎn)化，也需要使用不同于一般機(jī)構(gòu)分析的專門分析方法。其次，由于開鏈機(jī)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起，機(jī)械誤差和彈性變形的累積使機(jī)器人的剛度和精度大受影響。因此在進(jìn)行機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)時(shí)特別要注意剛度和精度設(shè)計(jì)。再次，機(jī)器人是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)

24、計(jì)時(shí)必須要考慮到驅(qū)動(dòng)、控制等方面的問(wèn)題，這和一般的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)是不同的。另外，與一般機(jī)械產(chǎn)品相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的緊湊性、靈巧性方面有更高的要求。2.2 與機(jī)器人有關(guān)的概念以下是本文中涉及到的一些與機(jī)器人技術(shù)有關(guān)的概念。1 自由度：工業(yè)機(jī)器人一般都為多關(guān)節(jié)的空間機(jī)構(gòu)，其運(yùn)動(dòng)副通常有移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副兩種。相應(yīng)地，以轉(zhuǎn)動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)。以移動(dòng)副相連的關(guān)節(jié)稱為移動(dòng)關(guān)節(jié)。在這些關(guān)節(jié)中，單獨(dú)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)稱為主動(dòng)關(guān)節(jié)。主動(dòng)關(guān)節(jié)的數(shù)目稱為機(jī)器人的自由度。2 機(jī)器人的分類機(jī)器人分類方法有多種。(1) 按機(jī)器人的控制方法的不同，可分為點(diǎn)位控制型（PTP），連續(xù)軌跡控制型（CP）：（a）點(diǎn)位控制型（

25、Point to Point Control ）：機(jī)器人受控運(yùn)動(dòng)方式為自一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)向另一個(gè)點(diǎn)位目標(biāo)移動(dòng)，只在目標(biāo)點(diǎn)上完成操作。例如：機(jī)器人在進(jìn)行點(diǎn)焊時(shí)的軌跡控制。（b）連續(xù)軌跡控制型（Continuous Path Control ）：機(jī)器人各關(guān)節(jié)同時(shí)做受控運(yùn)動(dòng)，使機(jī)器人末端執(zhí)行器按預(yù)期軌跡和速度運(yùn)動(dòng)，為此各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)需要獲得驅(qū)動(dòng)機(jī)的角位移和角速度信號(hào)，如機(jī)器人進(jìn)行焊縫為曲線的弧焊作業(yè)時(shí)的軌跡控制。(2) 按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分類：（a）直角坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為移動(dòng)關(guān)節(jié)，運(yùn)動(dòng)方向垂直，其控制方案與數(shù)控機(jī)床類似，各關(guān)節(jié)之間沒(méi)有耦合，不會(huì)產(chǎn)生奇異狀態(tài)，剛性好、精度高。缺點(diǎn)是占地面積大、工作

26、空間小。（b）圓柱坐標(biāo)型：該型機(jī)器人前三個(gè)關(guān)節(jié)為兩個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，以q, r, z為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q, r, z) ,其中，r 是手臂徑向長(zhǎng)度，z 是垂直方向的位移，q 是手臂繞垂直軸的角位移。這種形式的機(jī)器人占用空間小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。（c）球坐標(biāo)型：具有兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)。以q,f, y 為坐標(biāo)，位置函數(shù)為P = f (q ,f, y)，該型機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是靈活性好，占地面積小，但剛度、精度較差。（d）關(guān)節(jié)坐標(biāo)型：有垂直關(guān)節(jié)型和水平關(guān)節(jié)型（SCARA 型）機(jī)器人。前三個(gè)關(guān)節(jié)都是回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，特點(diǎn)是動(dòng)作靈活，工作空間大、占地面積小，缺點(diǎn)是剛度和精度較差。(3) 按驅(qū)動(dòng)方

27、式分類：按驅(qū)動(dòng)方式可分為：（a）氣壓驅(qū)動(dòng)；（b）液壓驅(qū)動(dòng)；（c）電氣驅(qū)動(dòng)。電氣驅(qū)動(dòng)是 20 世紀(jì)90 年代后機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。它有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用方便、運(yùn)動(dòng)精度高、驅(qū)動(dòng)效率高、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。(4) 按用途分類：可分為搬運(yùn)機(jī)器人、噴涂機(jī)器人、焊接機(jī)器人、裝配機(jī)器人、切削加工機(jī)器人和特種用途機(jī)器人等。2.3 方案設(shè)計(jì)2.3.1 方案要求如前所述，該機(jī)器人用于制造車間物流系統(tǒng)中工件的搬運(yùn)、裝夾和日常生活中的持物、看護(hù)等。能夠固定在移動(dòng)裝置（如AGV）上，以實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)。要求動(dòng)作靈活，工作范圍大，被夾持物應(yīng)具有多種姿態(tài)，自由度在56 個(gè)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕。采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)負(fù)

28、重為6公斤，手爪開合范圍5 mm100 mm。2.3.2 方案功能設(shè)計(jì)與分析a 機(jī)器人自由度的分配和手臂手腕的構(gòu)形手臂是執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的主要運(yùn)動(dòng)部件，它用來(lái)支承腕關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器，并使它們能在空間運(yùn)動(dòng)。為了使手部能達(dá)到工作空間的任意位置，手臂一般至少有三個(gè)自由度，少數(shù)專用的工業(yè)機(jī)器人手臂自由度少于三個(gè)。手臂的結(jié)構(gòu)形式有多種，常用的構(gòu)形如圖2-1。本課題要求機(jī)器人手臂能達(dá)到工作空間的任意位置和姿態(tài)，同時(shí)要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制。綜合考慮后確定該機(jī)器人具有六個(gè)自由度，其中手臂三個(gè)自由度。由于在同樣的體積條件下，關(guān)節(jié)型機(jī)器人比非關(guān)節(jié)型機(jī)器人有大得多的相對(duì)空間（手腕可達(dá)到的最大空間體積與機(jī)器人本體外殼體積之比

29、）和絕對(duì)工作空間，結(jié)構(gòu)緊湊，同時(shí)關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動(dòng)作和軌跡更靈活，因此該型機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。圖 2-1 幾種多自由度機(jī)器人手臂構(gòu)形手腕的構(gòu)形也有多種形式。三自由度的手腕通常有以下四種形式：BBR 型、BRR 型、RBR 型和RRR 型四種三自由度手腕構(gòu)形。如圖2-2 所示B 表示彎曲結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度有變化。R 表示轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，指組成腕關(guān)節(jié)的相鄰運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的軸線在工作過(guò)程中相互間角度不變。BBR 結(jié)構(gòu)由于采用了兩個(gè)彎曲結(jié)構(gòu)使結(jié)構(gòu)尺寸增加了，BRR、RBR 前者相比結(jié)構(gòu)緊湊。旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相對(duì)平移關(guān)節(jié)來(lái)講，操作空間大，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，關(guān)節(jié)易于密封防塵。

30、這里使用了六個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，綜合各種手臂和手腕構(gòu)形，最后確定其結(jié)構(gòu)形式如圖2-3。圖 2-3 該型機(jī)器人構(gòu)形前三個(gè)關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的位置，后三關(guān)節(jié)決定了末端執(zhí)行器在空間的姿態(tài)。b 方案描述該機(jī)器人固定在自動(dòng)引導(dǎo)車（ AGV）上。這種AGV 可以實(shí)現(xiàn)水平方向兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)航方式有多種，如磁導(dǎo)航、激光導(dǎo)航、程序自動(dòng)軌跡控制等方式，因此，該機(jī)器人有運(yùn)動(dòng)自由靈活的特點(diǎn)。機(jī)器人本體由機(jī)座、腰部、大臂、小臂、手腕、末端執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)裝置組成。共有六個(gè)自由度，依次為腰部回轉(zhuǎn)、大臂俯仰、小臂俯仰、手腕回轉(zhuǎn)、手腕俯仰、手腕側(cè)擺。機(jī)器人采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于控制、使用維修方便、不

31、污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)代機(jī)器人應(yīng)用最多的驅(qū)動(dòng)方式。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人靈活自由地移動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用了蓄電池供電電動(dòng)機(jī)可以選擇步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)。使用直流伺服電機(jī)能構(gòu)成閉環(huán)控制，精度高，額定轉(zhuǎn)速高，但價(jià)格較高，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有成本低，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。確定這種機(jī)器人的6個(gè)關(guān)節(jié)都采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開環(huán)控制。由于大臂俯仰和小臂俯仰運(yùn)動(dòng)的力矩很大，分別為 150Nm 和27Nm左右，如果使用電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的話，要求電機(jī)的輸出扭矩很大，因此考慮在大臂關(guān)節(jié)和小臂關(guān)節(jié)處使用減速器。常用的減速器有行星減速器和諧波減速器等。諧波減速器具有傳動(dòng)比大、承載能力強(qiáng)、傳動(dòng)平穩(wěn)、體積小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代機(jī)器人

32、中。因此在大臂和小臂關(guān)節(jié)處使用了諧波減速器，減速比分別為1:100 和1:50，使用的步進(jìn)電機(jī)輸出扭矩分別為3.7Nm和1.0 N m 。在現(xiàn)代機(jī)器人結(jié)構(gòu)中廣泛使用著各種機(jī)器人軸承，常用的有環(huán)形軸承和交叉滾子軸承。這幾種機(jī)器人專用軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，精度高、剛度大，承載能力強(qiáng)（可承受徑向力、軸向力、傾覆力矩）和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。但考慮到這些軸承價(jià)格昂貴，而使用普通的球軸承或滾子軸承也能滿足結(jié)構(gòu)的需要，所以在該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中仍然全部采用球軸承。在電機(jī)的布置上，考慮盡量將電機(jī)放置在相應(yīng)的操作臂的前端，這樣可以減小扭矩，同時(shí)也可以起到重力平衡的作用，但同時(shí)盡量避免過(guò)長(zhǎng)的傳動(dòng)鏈，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)。參考同類機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，結(jié)合工作情況的需要，定出該型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如下：關(guān)節(jié) 1（ T ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)關(guān)節(jié) 2（ W ）： 30 o/s (0.524 rad/s) ( 5 r/min)關(guān)節(jié) 3（